卫星气象学课件5liya.ppt
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1、第五章第五章水汽图象的基本类型水汽图象的基本类型和分析和分析5.1概述概述5.2水汽边界的型式水汽边界的型式5.3高空槽前的边界高空槽前的边界水汽:水汽:由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里大气里,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里大气里,而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的,因此主要产生于大气层下部。是由大气中的水汽形成的,因此主要产生于大气层下部。5.1 5.1 概
2、述概述 土壤水分(w)陆地水循环陆地水循环海洋水循环海洋水循环全球水循环全球水循环裸地裸地蒸发蒸发雪雪385111水的气、液、固态易转化水的气、液、固态易转化水的气、液、固态易转化水的气、液、固态易转化 太阳辐射和重力作用太阳辐射和重力作用太阳辐射和重力作用太阳辐射和重力作用 内内内内因因因因外外外外因因因因自然影响因素:自然影响因素:自然影响因素:自然影响因素:uu气象条件气象条件气象条件气象条件(大气大气大气大气环流、风向、风环流、风向、风环流、风向、风环流、风向、风速、温度、速、温度、速、温度、速、温度、湿度湿度湿度湿度等等等等);uu地理条件地理条件地理条件地理条件(地形、地形、地形、
3、地形、地质、土壤、植地质、土壤、植地质、土壤、植地质、土壤、植被等被等被等被等)。水水汽汽图图:卫卫星星观观测测在在5.5m5.5m至至7.5m7.5m红红外外波波段段内内,存存在在着着强强水水汽汽吸吸收收带带。卫卫星星在在这这一一吸吸收收带带上上测测得得的的辐辐射射强强度度主主要要是是大大气气中中水水汽汽吸吸收收后后的的再再辐辐射射。这这种种向向上上的的辐辐射射强强度度测测值值可可转转换换成成温温度度值值表表示示,这这种种方方式式测测得得的的温温度度称称为为“亮亮温温”,“亮亮温温”也也可可用用色色调调来来表表示示。这这一一波波段段观观测测的的辐辐射射图图象象称称为为水水汽汽图图象象,一一般
4、般在在水水汽汽图图上上,白白色色调表示能量很低的辐射或冷亮温,黑色表示高能辐射或暖亮温。调表示能量很低的辐射或冷亮温,黑色表示高能辐射或暖亮温。u到达卫星的水汽辐射来自有一定厚度的各到达卫星的水汽辐射来自有一定厚度的各层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透明的,因此明的,因此卫星测得的亮温是若干水汽层的卫星测得的亮温是若干水汽层的“总总”温度,而不是某一个特定面或层的温温度,而不是某一个特定面或层的温度。度。u气层水汽浓度越大,辐射能穿过的气层越气层水汽浓度越大,辐射能穿过的气层越薄,这就好比一个人在雾中望远,可见距离薄,这就好比一个人在雾中望远,可见距离
5、随雾密度的增加而减小。我们可以认为卫星随雾密度的增加而减小。我们可以认为卫星以同样的方式,向下以同样的方式,向下“看看”水汽,但它测到水汽,但它测到的或的或“看到看到”的是水汽所发射的能量,以亮的是水汽所发射的能量,以亮温代表而不是可以看得见的光。因此,温代表而不是可以看得见的光。因此,6.76.7m m波段波段不能提供大气整层水汽含量的信息,而只能获得在气层中、上层水汽分布情况。不能提供大气整层水汽含量的信息,而只能获得在气层中、上层水汽分布情况。6.76.7m m水汽图对大气层中上层水汽反映敏感,对大气低层的水汽与云反映不敏感,水汽图对大气层中上层水汽反映敏感,对大气低层的水汽与云反映不敏
6、感,而水汽主要分布在大气中、低层次。而水汽主要分布在大气中、低层次。卫星水汽图主要分析动力气象。卫星水汽图主要分析动力气象。卫星水汽图主要分析动力气象。卫星水汽图主要分析动力气象。到达卫星的辐射受许多变量到达卫星的辐射受许多变量影响。对影响。对6.7m波长来说,主要有大气中波长来说,主要有大气中水汽含量水汽含量水汽含量水汽含量,水汽垂直水汽垂直水汽垂直水汽垂直位置位置位置位置以及以及水汽的温度水汽的温度水汽的温度水汽的温度等三个因素。等三个因素。为了便于使用,初步归纳为以下几条:为了便于使用,初步归纳为以下几条:第一:第一:高云区在水汽图象上与在红外云图上一样,都表现为灰白高云区在水汽图象上与
7、在红外云图上一样,都表现为灰白色。只是水汽图象上在高云的范围以外还有水汽可以被观测到,色。只是水汽图象上在高云的范围以外还有水汽可以被观测到,所以高云边界模糊。因此,在水汽图上白亮区的边界往往不是云所以高云边界模糊。因此,在水汽图上白亮区的边界往往不是云的边界,的边界,水汽图上云区以外较亮(暗)的地区表示湿层的顶部较水汽图上云区以外较亮(暗)的地区表示湿层的顶部较水汽图上云区以外较亮(暗)的地区表示湿层的顶部较水汽图上云区以外较亮(暗)的地区表示湿层的顶部较高(低)。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。高(低)。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。高(低)。特别暗的地区一般对流
8、层中上部有明显下沉运动。高(低)。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。第二:第二:中、低云在水汽图上不清楚,中、低云在水汽图上不清楚,中、低云在水汽图上不清楚,中、低云在水汽图上不清楚,因为这个波长的辐射在其路因为这个波长的辐射在其路径上受水汽的再辐射而使对流层中低层的信息几乎不存在。径上受水汽的再辐射而使对流层中低层的信息几乎不存在。第三:第三:6.76.7m m波段的辐射一般不能穿过整个大气层,因此,除了非波段的辐射一般不能穿过整个大气层,因此,除了非常干燥的冬季,常干燥的冬季,在水汽图上很少看到地表特征。在水汽图上很少看到地表特征。在水汽图上很少看到地表特征。在水汽图上很少看到地
9、表特征。第四:第四:由于由于6.5-7.06.5-7.0m m的水汽通道对水汽十分灵敏,当对流层上部的水汽通道对水汽十分灵敏,当对流层上部200hPa200hPa附近有逆温层时,图象亮度不再代表湿层顶部的亮温,其附近有逆温层时,图象亮度不再代表湿层顶部的亮温,其解释会变得非常复杂,但这种情况并不常见。解释会变得非常复杂,但这种情况并不常见。将水汽图像应用于天气尺度分析的基础:干区(深灰色)、将水汽图像应用于天气尺度分析的基础:干区(深灰色)、将水汽图像应用于天气尺度分析的基础:干区(深灰色)、将水汽图像应用于天气尺度分析的基础:干区(深灰色)、湿区(亮白色)以及它们的边界,它们经常和重要的高空
10、气流特湿区(亮白色)以及它们的边界,它们经常和重要的高空气流特湿区(亮白色)以及它们的边界,它们经常和重要的高空气流特湿区(亮白色)以及它们的边界,它们经常和重要的高空气流特征有很大的相关性(比如:槽、对流层顶动力异常和急流等)。征有很大的相关性(比如:槽、对流层顶动力异常和急流等)。征有很大的相关性(比如:槽、对流层顶动力异常和急流等)。征有很大的相关性(比如:槽、对流层顶动力异常和急流等)。分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界,分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界,分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界,分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界,了解边界与
11、整个水汽分布是分析的关键。了解边界与整个水汽分布是分析的关键。了解边界与整个水汽分布是分析的关键。了解边界与整个水汽分布是分析的关键。根根据据图图象象上上不不同同特特点点和和表表现现可可识识别别出出常常见见的的边边界界类类型型。水水汽汽图图中中清清晰晰的的边边界界或或灰灰度度差差异异通通常常代代表表高高空空亮亮(冷冷)灰灰度度一一侧侧的的湿湿空空气气和和暗暗(暖暖)灰灰度度一一侧侧的的干干空空气气之之间间的的差差异异。它它们们的的形形成原因有:成原因有:l湿空气在某一地区上升,而周围环境状况无重大变化;湿空气在某一地区上升,而周围环境状况无重大变化;l湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉,即在无
12、变化的湿湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉,即在无变化的湿环境附近,形成新的高空干空气环境;环境附近,形成新的高空干空气环境;l水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果,上升的湿水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果,上升的湿空气区域邻近的湿空气可以下沉;空气区域邻近的湿空气可以下沉;l在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。水汽图中观察到的最有意义的边界涉及到水平变形过程和一个或多个垂直运动过程的结合。在水汽图中选用“边界”表示具有不同灰度的相邻区
13、域之间的突变界面,由于各种应用的要求不同,图象产生的过程亦不一样,为了描绘这些差异及其随时间的变化。用下列专用术语来描述:清晰度清晰度 边界条件边界条件 陡峭度陡峭度 灰度梯度的大小灰度梯度的大小 和形状的规则性和形状的规则性 对比度对比度 边界两侧灰度差的大小边界两侧灰度差的大小 带或缝:带或缝:这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限,在其两侧各有一这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限,在其两侧各有一条边界。条边界。“带带”这个词既可以用于表示亮,又可以表示暗的特征;这个词既可以用于表示亮,又可以表示暗的特征;而而“缝缝”这个词只用于表示暗区。这个词只用于表示暗区。边缘:边缘:当灰度差出现在一较长距离
14、内或形状不规则时,我们有时当灰度差出现在一较长距离内或形状不规则时,我们有时用用“边缘边缘”一词来表示不清晰的界面。一词来表示不清晰的界面。水汽图中最常见和最重要的类型被归纳为七种基本类型:水汽图中最常见和最重要的类型被归纳为七种基本类型:l天气尺度系统的天气尺度系统的“头边界头边界”l平行急流边界平行急流边界l“斜压叶斜压叶”边界边界l干涌边界干涌边界l底涌边界底涌边界l内边界内边界l回流边界回流边界 水汽图中观察到的一种最常见的边界型式的形成与垂直上升水汽图中观察到的一种最常见的边界型式的形成与垂直上升运动区高空水汽的扩散有关。在高层水汽扩散方向与周围高空风运动区高空水汽的扩散有关。在高层
15、水汽扩散方向与周围高空风场方向相反的一侧,往往会形成场方向相反的一侧,往往会形成“阻塞阻塞阻塞阻塞”。一般来说,清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一般来说,清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一侧,我们称这种特定类型的阻塞过程为一侧,我们称这种特定类型的阻塞过程为“头阻塞头阻塞头阻塞头阻塞”。由这种过由这种过程形成的边界,可以多种尺度出现在大气中各个层次中。但这种程形成的边界,可以多种尺度出现在大气中各个层次中。但这种现象出现在对流层低层时,在现象出现在对流层低层时,在6.76.7m m水汽图上通常观测不到。水汽图上通常观测不到。5.2 5.2 水汽边界的型式水汽边界的型式 5.
16、2.1 5.2.1 天气尺度系统的天气尺度系统的“头边界头边界”“头阻塞头阻塞”可发生于各种尺度上,所以我们亦将可发生于各种尺度上,所以我们亦将“头边界头边界”这个这个概念用于天气尺度的系统。概念用于天气尺度的系统。边界的图象特征边界的图象特征边界的图象特征边界的图象特征 头边界由一个相当清晰的界面组成,头边界由一个相当清晰的界面组成,它的一侧是高云和冷的它的一侧是高云和冷的它的一侧是高云和冷的它的一侧是高云和冷的高空湿区,另一侧是各种各样的干环境。高空湿区,另一侧是各种各样的干环境。高空湿区,另一侧是各种各样的干环境。高空湿区,另一侧是各种各样的干环境。云和水汽趋向于在高层云和水汽趋向于在高
17、层积累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩积累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩散的高层湿区的上游,水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。散的高层湿区的上游,水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。垂直下沉运动区常沿头边界形成。虽然这种向下的垂直运动垂直下沉运动区常沿头边界形成。虽然这种向下的垂直运动区或下沉带可沿边界扩展很长距离,但它在与边界正交的方向和区或下沉带可沿边界扩展很长距离,但它在与边界正交的方向和垂直深度上影响范围都很小。局地性下沉运动是由周围上游气流垂直深度上影响范围都很小。局地性下沉运动是由周围上游气流和湿侧和湿侧“阻塞阻塞”气流之间的高层辐合产生的。
18、局地上升运动区亦气流之间的高层辐合产生的。局地上升运动区亦可能沿着边界在最大辐合层以上出现。因此,在解释水汽图时,可能沿着边界在最大辐合层以上出现。因此,在解释水汽图时,与暗区有关的是下沉区域。与暗区有关的是下沉区域。与暗区有关的是下沉区域。与暗区有关的是下沉区域。狭窄干带在厚度上是有差别的,通常狭窄干带在厚度上是有差别的,通常限于对流层上部,一般在限于对流层上部,一般在500hPa500hPa以上。以上。特征:特征:特征:特征:水汽图上的头边界表现为边界整齐光滑,向上游一侧凸起,水汽图上的头边界表现为边界整齐光滑,向上游一侧凸起,它的一侧为冷的湿区和高云区,另一侧为一狭窄的干黑带。它的一侧为
19、冷的湿区和高云区,另一侧为一狭窄的干黑带。头边界一般出现在两种情形中:头边界一般出现在两种情形中:头边界一般出现在两种情形中:头边界一般出现在两种情形中:一种是逗点云的头部西界,另一一种是逗点云的头部西界,另一种是雷暴云的西南边界。种是雷暴云的西南边界。水汽区水汽区水汽区水汽区 流线流线流线流线 急流急流急流急流 头边界头边界 头边界头边界 图图5.1 a天气尺度的头边界天气尺度的头边界 1988.4.7 GOES 6.7m水汽图水汽图5.2.2 5.2.2 头边界的高空分析个例头边界的高空分析个例 A A处代表头边界的位置,这个例处代表头边界的位置,这个例子所示的天气系统是一个冬季子所示的天
20、气系统是一个冬季风暴,头边界和高层风场的基风暴,头边界和高层风场的基本关系与前述特征大致相同。本关系与前述特征大致相同。头边界位于头边界位于300hPa300hPa风场的鞍形风场的鞍形伸展轴一带,在鞍形场以南、伸展轴一带,在鞍形场以南、以北近于与风向平行。在这个以北近于与风向平行。在这个例子中,一急流分支出现在沿例子中,一急流分支出现在沿头边界向极地一端。头边界向极地一端。塞塞塞塞”效应形成。效应形成。效应形成。效应形成。一部分水汽以反气旋方一部分水汽以反气旋方向回绕向回绕“后伸后伸”脊,另一部分向南回绕脊,另一部分向南回绕高空气旋。在上游西风区中较干空气接高空气旋。在上游西风区中较干空气接近
21、时也出现了类似的气流分裂,这些流近时也出现了类似的气流分裂,这些流型在型在300hPa流线图上形成了一个流线图上形成了一个鞍形鞍形鞍形鞍形场场场场。且是不对称的,鞍两侧的。且是不对称的,鞍两侧的“分裂分裂”没排成一线。这种情况是很普遍的,不没排成一线。这种情况是很普遍的,不对称流场中系统的变化与系统的发展有对称流场中系统的变化与系统的发展有关,需要注意的是,头边界的位置沿着关,需要注意的是,头边界的位置沿着鞍形场的扩张轴,称这条扩张轴为鞍形场的扩张轴,称这条扩张轴为变形变形变形变形带。带。带。带。鞍形场中沿边界的高空风在边界的鞍形场中沿边界的高空风在边界的高度上很小。在鞍形场以北和以南风速高度
22、上很小。在鞍形场以北和以南风速增加,方向相反,流线和其头边界近于增加,方向相反,流线和其头边界近于平行。平行。图图5.1b 天气尺度的头边界水汽图与天气尺度的头边界水汽图与300hPa分析图叠加。图中实线是流线,分析图叠加。图中实线是流线,虚线是等风速线(海里虚线是等风速线(海里/小时),箭头是小时),箭头是300hPa最大风速轴。最大风速轴。下图中,下图中,头边界头边界“A”东侧是巨大高空冷湿区,该湿区的一部分与东侧是巨大高空冷湿区,该湿区的一部分与300hPa气气旋性弯曲气流有关,另一部分则与反气旋弯曲气流有关。当高空气旋闭合时,旋性弯曲气流有关,另一部分则与反气旋弯曲气流有关。当高空气旋
23、闭合时,高空脊高空脊“后伸后伸”到低压北侧附近。水汽通过垂直上升运动在高层积累,在脊和到低压北侧附近。水汽通过垂直上升运动在高层积累,在脊和气旋之间的高层东风中向西移动。气旋之间的高层东风中向西移动。在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方,在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方,在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方,在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方,“阻阻阻阻A5.3 5.3 高空槽前的边界高空槽前的边界 位位于于高高空空槽槽前前的的边边界界对对于于天天气气状状况况及及其其随随时时间间变变化化的的预预报报工工作作很很重重要要,所所以以归归纳纳为为一一种种专专门门的的类类型型,分分为为三三种种:
24、“平平行行急急流流型型”、“干干涌涌型型”和和“斜斜压压叶叶状状边边界界”等等。高高空空槽槽前前的的边边界界通通常常以以组合的方式出现组合的方式出现组合的方式出现组合的方式出现,或,或发生在两种不同类型边界之间的过渡期间发生在两种不同类型边界之间的过渡期间发生在两种不同类型边界之间的过渡期间发生在两种不同类型边界之间的过渡期间。高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰,高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰,高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰,高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰,原因有:原因有:第第一一,沿沿边边界界湿湿侧侧常常常常有有高高云云,由由于于云云能能够够阻阻止止低低层层热热源源的的辐
25、射,这就使得卫星图象上边界湿侧的灰度很浅;辐射,这就使得卫星图象上边界湿侧的灰度很浅;第第二二,深深厚厚的的干干空空气气区区或或“缝缝”常常沿沿边边界界上上游游较较干干侧侧分分布布,这这些些干干区区一一般般要要比比那那些些与与头头边边界界相相联联系系的的干干区区深深厚厚一一些些,通通常常也也比比与与头头边边界界相相邻邻的的干干区区要要宽宽一一些些。边边界界后后部部的的阴阴影影总总是是很很暗暗,而而且在边界两侧会形成很强的灰度对比。且在边界两侧会形成很强的灰度对比。5.3.1 5.3.1 平行急流边界平行急流边界 高空槽前的边界常常以复合高空槽前的边界常常以复合或单独的类型出现。单独出现最或单独
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